針對慣性測量單元（IMU）內(nèi)部微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器粘固在印刷電路板（PCB）上,外界載體產(chǎn)生的機械振動使其受迫振動,長時間作用會引發(fā)傳感器機械疲勞、結(jié)構(gòu)斷裂以及性能退化等問題,根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學原理,分析雙自由度系統(tǒng)模型,并運用MATLAB軟件進行仿真,以找出影響因素及其設(shè)定范圍;同時,保證在加速度計帶寬范圍內(nèi)的信號1︰1傳遞給加速度計。研究結(jié)果表明:載體機械振動信號在10 kHz范圍內(nèi)時,適當降低陀螺儀和加速度計的品質(zhì)因數(shù),PCB的固有頻率保持在1kHz以內(nèi)以及其品質(zhì)因數(shù)不大于10,可有效降低振動應力對傳感器的影響。 

【文章來源】：傳感器與微系統(tǒng). 2020,39(06)CSCD

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

圖1 雙自由度振動模型

2)陀螺儀的固有頻率固定不變，在Qg，ωPCB,QPCB三項中的兩項不變的情況下，通過改變第三項來探究三者分別給振動響應帶來的影響，其曲線如圖2(b)～(d)所示�？傻贸鯭g擴大10倍，在陀螺固有頻率附近az/a0的峰值也隨即擴大約10倍;ωPCB縮小約10倍，在陀螺固有頻率附近的az/a0峰值也隨即縮小約10倍;QPCB擴大10倍，在陀螺固有頻率附近az/a0的峰值幾乎無影響，反而ω0在ωPCB附近時，az/a0的峰值增加至大于1。所以，要降低振動對陀螺結(jié)構(gòu)的影響，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，可適當降低陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)，ωPCB需設(shè)定在1 k Hz以內(nèi)且QPCB不能大于100。

1)常用的微硅電容式加速度計電子器件的固有頻率一般大于500 Hz[11]，由于研究重點不是固有頻率，取500 Hz研究，品質(zhì)因數(shù)Qa(指上節(jié)中的Qi)一般小于1，振動頻率ω0同樣在10000×2πHz之內(nèi)，而與PCB相關(guān)的參數(shù)ωPCB和QPCB的值則需要根據(jù)符合加速度計振動響應要求的曲線來確定。通過仿真，得出符合加速度計帶寬檢測曲線(0～200 Hz左右)與10 k Hz以內(nèi)的振動響應曲線如圖3所示，其中，ωi=500×2πHz,Qa=0.707，ωPCB=1 000×2πHz,QPCB=0.707。從圖3可以看出，在加速度計帶寬內(nèi)，ω0越小，az/a0越接近于零，此時ω0在0～ωi頻率范圍內(nèi)類似于高通濾波系統(tǒng)，由于加速度計帶寬屬于低頻信號，符合加速度計工作要求;而在10 k Hz的全頻段，加速度計在其固有頻率附近az/a0的峰值也小于1，振動應力下對加速度計影響也不大，參數(shù)符合要求。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于振動疲勞損傷分析的飛機壁板結(jié)構(gòu)加筋參數(shù)優(yōu)選[J]. 李鵬,馬君峰,王純,王建強.  應用力學學報. 2017(04)
[2]電容式加速度傳感器設(shè)計及工藝加工[J]. 任建軍,石云波,唐軍,馮恒振,杜文略.  微納電子技術(shù). 2017(07)
[3]MEMS慣性器件的主要失效模式和失效機理研究[J]. 陳俊光,谷專元,何春華,黃欽文,來萍,恩云飛.  傳感器與微系統(tǒng). 2017(03)
[4]GNSS與IMU集成原理及其改進分析[J]. 趙福生,楊宏瑞,薛艷麗.  測繪通報. 2016(06)
[5]結(jié)構(gòu)振動疲勞研究綜述[J]. 劉文光,陳國平,賀紅林,吳暉.  工程設(shè)計學報. 2012(01)
[6]捷聯(lián)慣導系統(tǒng)減振設(shè)計(英文)[J]. 庹洲慧,胡德文,李如華,魏建倉.  中國慣性技術(shù)學報. 2009(06)

碩士論文
[1]抗沖擊硅微機械陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究[D]. 孫慧.東南大學 2017
[2]MEMS微慣性航姿系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與集成技術(shù)研究[D]. 王小春.南京航空航天大學 2013



本文編號：3425750